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为了满足求解复杂电磁问题的需要,以各种电磁场数值分析方法为内容的计算电磁学得到了发展。以积分方程为基础的矩量法是求解电磁散射问题的主要方法之一,已经得到广泛的应用。矩量法的主要优点是精度高,稳定性好,缺点在于它的矩阵是一个稠密矩阵。所以,在用矩量法求解电大尺寸电磁散射问题时,将对计算机资源提出很高的要求,从而制约矩量法的应用范围。在近三十年里,人们为克服矩量法的缺点提出了几个途径:(1)发展快速矩量法;(2)发展并行矩量法;(3)发展区域分解矩量法。选择哪种算法依赖于具体问题的特点,某些电磁问题需要较高的精度,如大型天线阵各单元之间的互偶分析,这就需要尽可能精确的计算结果。快速矩量法通常都以牺牲适当的精度来提升计算效率,而并行矩量法能够在不损失精度的前提下大力提升计算效率。计算机并行系统分为共享式存储系统和分布式存储系统。MPI(Message Passing Interface)是基于分布式存储的消息传递接口标准,应用在集群并行环境上;Open MP(Open Multi-Processing)是一套指导性编译器指令(Compiler Directive),应用在多核计算机或多核工作站上。本文研究基于MPI以及基于MPI与Open MP结合的矩量法矩阵并行填充算法和矩量法方程并行求解算法。主要工作如下:
第一部分:研究基于集群并行环境的矩量法矩阵并行填充算法。填充矩量法矩阵需要计算二重面积分,计算量很大。因此在分析电大问题时,填充矩量法矩阵的时间将变得无法忍受。本文采用按列分块的方案,并且循环地分配到各个节点机去存储。在计算时,各节点机(进程)均按照“三角面片循环”方案独立地计算所分配到的积分,接着将结果广播到其它节点机(进程),最后各节点机(进程)收集所需的数值并累加到相应的矩阵元素上。在每个节点机(进程)内部,基于Open MP的多线程并行算法被用于进一步提高计算效率。
第二部分:研究基于集群并行环境的精确求解大规模矩量法矩阵方程的直接解法。众所周知,矩量法的稠密矩阵需要占用大量存储空间且使得矩阵方程组的求解耗费时间巨大,并行计算是借助计算机硬件环境来克服这个困难的一种解决方案。本文提出了基于集群并行环境分布式存储结合多核工作站共享式存储的并行求解大规模矩量法矩阵方程的LU分解法,能够在由普通多CPU的工作站组成的集群上极其方便地求解电大尺寸电磁问题。